近年来,随着我国高速铁路建设的飞速发展,无砟轨道以其高平顺性、高稳定性及少维修等优点在我国新建高速铁路中得到了广泛的应用。但由于无砟轨道的刚度较大,其吸振及降噪效果不佳,列车高速运行所产生的巨大振动及轮轨噪声难以得到衰减,不仅极大地降低了车内乘客的乘车舒适度,更对沿线环境造成了一定的污染。目前,高速铁路多采用在传播途径中设立屏障或吸音结构的方法对噪声进行衰减。这种方法虽对噪声有一定的控制作用,但并没有降低高速铁路轮轨振动强度与噪声的辐射量。在钢轨上添加附加阻尼结构,如约束阻尼层、阻尼动力吸振器等,是在振(声)源处对轮轨振动噪声进行控制的有效途径,具有减振降噪性能优良、安装便捷、成本经济等优势,且无需考虑限界问题,也不会对线路通讯、钢轨探伤和列车行驶造成干扰,具备在高速铁路线路中快速、大范围推广的条件,对降低高速铁路振动噪声污染,实现高速铁路与社会、自然环境的可持续协调发展具有重要意义。但目前,钢轨附加阻尼减振降噪技术仅在国内外部分城市轨道交通或普速铁路中有所应用,在高速铁路中的应用研究尚属空白。本文针对高速铁路在振(声)源处有效控制轮轨振动噪声的需求,主要依托“高速铁路减振降噪关键技术—高速铁路阻尼钢轨减振降噪机理研究”科研项目(国家科技部“863”项目,2011AA11A103-3-1-2),对钢轨附加阻尼结构减振降噪机理及其在高速铁路振动噪声控制中的应用与优化设计进行了深入研究,具体研究内容与成果如下:(1)高速铁路钢轨—无砟轨道振动噪声分析模型的建立基于Hamilton原理、“对号入座”法则、车辆—轨道耦合动力学理论及有限元—边界元联合求解原理,建立了高速铁路钢轨(含阻尼钢轨或动力吸振器)—无砟轨道振动噪声分析模型,模型中可考虑钢轨附加阻尼结构对轮轨振动噪声激励的影响,并可详细考虑各种钢轨附加阻尼结构的实际结构尺寸及材料特性。通过与国内外轮轨振动噪声实测及仿真数据的对比,验证了建模方法及所建模型的正确性。(2)高速铁路钢轨—无砟轨道系统振动噪声特性及其参数敏感性研究基于高速铁路钢轨—无砟轨道系统振动噪声分析模型,对高速轮轨力激励下无砟轨道结构的振动特性及声辐射特性进行了研究,并通过无砟轨道实尺结构锤击实验对无砟轨道振动与辐射噪声之间的关联性进行了探索。基于参数敏感性分析方法,研究了无砟轨道结构设计参数对其振动噪声特性的影响规律。研究表明,钢轨质量的增加会降低轨道结构的振动噪声;扣件刚度与阻尼均为钢轨pinned-pinned共振特性的不敏感参数,而扣件间距的改变与扣件失效则会显著影响轨道系统的振动噪声特性。轨道板弹性模量对轨道板振动噪声辐射特性影响较大,对钢轨高频振动噪声特性略有影响。(3)高速铁路阻尼钢轨减振降噪机理及参数优化设计研究采用阻尼钢轨—无砟轨道振动噪声分析模型,对高速轮轨力作用下阻尼钢轨的减振降噪性能进行了研究。通过分析阻尼钢轨阻尼层、约束层材料及结构设计参数、敷设位置、结构形式对其减振降噪性能的影响规律,从提高阻尼钢轨工作性能的角度对应用于高速铁路的阻尼钢轨优化设计提出合理建议。研究认为,对阻尼层材料进行选取或改进时,可适当放宽对800Hz以下的阻尼材料损耗因子的要求,而中、高频段对应的损耗因子可根据减振降噪需求进一步增加。当阻尼层厚度大于约束层厚度时,阻尼钢轨减振降噪性能的提升不与阻尼层厚度同比增加。阻尼钢轨以采用较薄的轻质合金约束层为宜。将阻尼敷设在轨腰及钢轨上、下翼缘可取得最佳减振降噪效果,但在减振降噪要求较低的区段可将阻尼材料仅敷设在轨腰及钢轨下翼缘。改进阻尼钢轨的结构形式,利用钢轨整体垂向变形加强阻尼层的剪切效应,可进一步提高阻尼钢轨的减振降噪性能。(4)高速铁路钢轨动力吸振器设计方法及减振降噪性能研究基于定点理论及多自由度结构动力吸振器设计原理,对比分析了以钢轨振幅最小为目标及以钢轨振动加速度最小为目标的两种动力吸振器设计方案的减振降噪效果,为高速铁路钢轨动力吸振器设计方法的选取提供合理依据。通过分析钢轨动力吸振器的质量比、连接刚度、阻尼系数变化对其减振降噪效果的影响,提出了高速铁路钢轨动力吸振器设计参数的合理取值范围。研究表明,高速铁路钢轨动力吸振器质量比的最低限宜设置为0.15。连接刚度值与设计值的偏差宜控制在-20%~+20%之内;困难条件下,可放宽至-20%～+50%之间。阻尼系数最低可取为原设计值的70%,最高不宜超过原设计值的2倍。(5)高速铁路阻尼钢轨—动力吸振器综合减振降噪研究针对阻尼钢轨对无砟轨道系统噪声峰值衰减效果不佳的问题,基于多自由度有阻尼结构动力吸振器设计原理,提出了阻尼钢轨—动力吸振器综合减振降噪装置的设计,并对其粘接安全性进行了分析。通过理论与测试研究表明,当列车以250~350km/h高速运行时,钢轨阻尼综合减振降噪装置可将距轨道中心线3m、轨顶同高处噪声降低3.9dB(A)及以上;将距中心线7.5m、轨顶1.2m高处噪声降低3.0dB(A)及以上。该钢轨阻尼综合减振降噪装置能有效控制无砟轨道系统在中、高频域内的振动噪声,可在高速铁路上发挥良好的减振降噪效果。